CC BY
92
Губайдулин Рафкат Галимович
доктор технических наук, советник РААСН, профессор кафедры «Строительные конструкции и инженерные сооружения» ЮУрГУ (НИУ) e-mail: [email protected]
Тиньгаев
Александр Кириллович
кандидат технических наук, доцент кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» ЮУрГУ (НИУ) e-mail: [email protected]
Губайдулин Марат Рафкатович
кандидат технических наук, директор ООО «Проектноэкспертная организация Теплострой» e-mail: [email protected]
Ярчихин
Олег Николаевич
инженер-проектировщик ООО «Инженерный Центр АС Теплострой» e-mail: [email protected]
УДК 624.014
ГУБАЙДУЛИН Р Г, ТИНЬГАЕВ А. К., ГУБАЙДУЛИН М. Р, ЯРЧИХИН О. Н.
Оценка несущей способности узлов усиления конструкций покрытия ФСК
В статье приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований узлов усиления металлоконструкций покрытия с критическими дефектами, возникшими из-за неправильного выбора и последующей замены марки стали, а также неучета особенностей свариваемости и работы толстолистового проката в составе конструкции.
Ключевые слова: арочная ферма, усиление, напряжение, сварное соединение, несплавление, слоистое разрушение.
GUBAYDULIN R. G, TINGAEV A. K, GUBAIDULIN M. R, YARCHIHIN O. N.
EVALUATION OF THE CARRYING CAPACITY OF STRENGTHENING UNITS OF COVERING STRUCTURES OF SPORT COMPLEX
The results of theoretical and experimental researches of strengthening units covering metal structures with critical defects arising because of improper selection and subsequent replacement of steel grades, as well as neglect of the features and weldability of rolled plate in the design.
Keywords: arched girder, gain, voltage, weldingjoint, poor fusion, laminar destruction.
В результате обследования металлоконструкций покрытия здания физкультурно-спортивного комплекса (ФСК), возводимого в г. Сатке, были выявлены значительные несоответствия, по причине которых оно находилось в неработоспособном состоянии. К числу наиболее существенных недостатков следует отнести неоптимальную конструктивно-технологическую форму узлов арочной фермы, неправильный выбор и некорректную замену марки стали, по причине которых в сварных узлах конструкции возникли ламелярные (слоистые) трещины, а также многочисленные недопустимые технологические дефекты, которые были выявлены в заводских и монтажных сварных швах. Некорректная замена марки стали привела к несоответствию фактических характеристик прочности проектным значениям.
Здание ФСК прямоугольное в плане, размером 84,0 х 58,95 м и высотой от уровня пола до нижнего пояса арочной фермы составляет 10,114 м, а до верха покрытия — 15,480 м. Расчетная схема каркаса принята рамно-связевой.
Поперечная рама — однопролетная. Колонны защемлены в фундаменте и шарнирно соединены с ригелями покрытия. Шаг поперечных рам — 6 м и 12 м. Ригель покрытия решен в виде арочной фермы (арки с затяжкой и двумя У-образ-ными стойками) пролетом 51 м.
Верхний и нижний пояса арочной фермы выполнены в виде сварных двутавровых балок высотой 1278 и 632 мм соответственно. Верхний пояс арки ломаный, вписанный в дугу окружности, радиусом 103 м (Иллюстрация 1).
Для оценки прочности жесткости и устойчивости конструкций покрытия, а также определения наиболее опасных узлов и соединений с учетом выявленных несоответствий был произведен статический расчет по стержневой схеме с помощью многофункционального программного комплекса ЛИРА 9.6. Для определения уровня концентрации напряжений от конструктивной формы была создана пространственная модель из плоских конечных элементов и выполнен соответствующий расчет [1].
В расчете были заданы следующие нагрузки:
© Губайдулин Р. Г, Тиньгаев А. К., Губайдулин М. Р. Ярчихин О. Н., 2012
Иллюстрация 1. Характерный поперечный разрез каркаса здания
• собственный вес конструкций покрытия и вес технологического оборудования (вентиляция, светильники и ходовые мостики);
• вес снежного покрова в трех вариантах (равномерное и неравномерное распределение снежного покрова на всем пролете, а также равномерное распределение снежного покрова на половине пролета).
Выполненные расчеты показали, что при всех вариантах загружения напряженно-деформированное состя-ние элементов покрытия удовлетворяет нормативным требованиям [2].
Наибольшая концентрация возникает в узлах сопряжения верхнего и нижнего поясов арочной фермы и составляет 265 МПа, в узлах сопряжения У-образных стоек с верхним поясом арочной фермы и составляет 221 МПа, а также в узлах сопряжения У-образных стоек с нижним поясом арочной фермы и составляет 192 МПа. Во всех случаях максимальная величина действующих напряжений с учетом концентрации напряжений от конструктивной формы не превышает расчетного сопротивления стали по пределу текучести (Таблица 1).
Наиболее опасным, с точки зрения отказа конструкций покрытия, является узел сопряжения растянутого элемента У-образной стойки с верх-
Иллюстрация 2. Изополя главных и эквивалентных напряжений (энергетическая теория прочности) в элементах арочной фермы от РСН № 3
Таблица 1. Эквивалентные напряжения (энергетическая теория прочности) в узлах расчетной схемы арочной фермы
Наименование узла Величина эквивалентных напряжений при различных РСН, МПа R , МПа* у’
РСН № 1 РСН № 2 РСН № 3
Узел сопряжения нижнего и верхнего поясов 265 133 181 280/252
Узел сопряжения У-образной стойки с верхним поясом 151 89 221
Узел сопряжения У-образной стойки с нижним поясом 160 80 192
Примечание: РСН — расчетное сочетание нагрузок; РСН № 1 — собственный вес + снег равномерно на всем пролете:
РСН № 2 — собственный вес + снег неравномерно на всем пролете; РСН № 3 — собственный вес + снег равномерно на половине пролета.
*В числителе расчетное сопротивление стали 09Г2С-12 толщиной до 20 мм включительно, в знаменателе — более 20 мм.
Иллюстрация 3. Усиление узла примыкания растянутого раскоса к верхнему поясу арочной фермы
Иллюстрация 4. Расчетная схема (а) и фотография (б) способа усиления растянутого раскоса арочной фермы
ним поясом арочной фермы. Раскос крепится к нижней полке верхнего пояса с помощью двух проушин толщиной 36 мм и четырех поперечных ребер жесткости. Швы, прикрепляющие проушины и поперечные ребра жесткости к нижней полке верхнего пояса, создают остаточные сварочные напряжения, которые действуют в направлении толщины полки. Так
как механические свойства полки не обеспечивают сопротивления ламе-лярному (слоистому) разрушению, при нагружении арочной фермы не исключена вероятность отрыва растянутого раскоса У-образной стойки от верхнего пояса арочной фермы по механизму слоистого разрушения.
Расчет пространственной модели узла показал, что наиболее неблаго-
приятной схемой нагружения для него является расчетное сочетание № 3 (см. Таблицу 1, Иллюстрация 2), в котором учитываются собственный вес и снег на половине пролета. При данном нагружении величина продольного усилия в растянутом раскосе достигает 63,15 тс, а уровень напряжений в узле — 221 МПа.
С целью предотвращения слоистого разрушения металла нижней полки арочной фермы специалистами ЗАО «ЧелябПСК» был разработан проект усиления узла примыкания растянутого раскоса арочной фермы к ее верхнему поясу, в котором усилие с раскоса передается непосредственно на стенку пояса двутаврового сечения, что обеспечивает его несущую способность, несмотря на низкую сопротивляемость металла полки ламелярному разрушению (Иллюстрация 3).
Усиление выполнено из элементов Г-образной формы, которые, с одной стороны, привариваются к стенке балки, а с другой — к проушинам крепления растянутых раскосов. Данный узел разгружает сварные швы крепления проушин к нижней полке арки, тем самым снижая риск возникновения ла-мелярных трещин. Конструкция узла запроектирована таким образом, что при отрыве обеих проушин усилия, действующие в раскосе, будут воспринимать Г-образные элементы.
Расчет арочной фермы с узлом усиления (Иллюстрации 4, 5) производился в двух вариантах. В первом варианте проушины для крепления растянутого раскоса приварены к нижней полке верхнего пояса арочной фермы, а во втором — оторваны от нее. В результате выполненного расчета было установлено следующее.
Максимальный уровень напряжений в элементах усиленного узла составляет (по энергетической теории прочности) (Иллюстрация 5, а):
• в Г-образной детали усиления — не
превышает 67,8 МПа (точка 1);
• в пластине крепления Г-образных
деталей усиления к проушинам —
не превышает 39,8 МПа (точка 2);
Таблица 2. Результаты испытаний полномасштабных моделей узла усиления
Марки- ровка образца Минимальные размеры шва, мм Расчетная нагрузка, кгс Максимальная разрушающая нагрузка, кгс Место разрушения и вид разрушения
катет длина
6 200 31 575 58 200 Отрыв по основному металлу в захвате
2 6 200 31 575 58 400 Срез по металлу шва
3 6 200 31 575 57 800 Срез по металлу шва
Примечание:
Образцы № 1, 2 заварены без предварительного подогрева при температуре окружающей среды +20 0С. Образец № 3 заварен с предварительного подогрева кромок около 120 0С.
0.0223 0131
ЛИТЕРА
Собсп_мс~апг_мгр_іЗ_мр>
271 419 З» МІ 139
Ср-івМ»
Ешш вммрмая ■ МП»
00223 06" 11 3 22.« 339 45.1 М.4 Ні
ЛИТЕРА Севеп_»ес-а*г_*гр_і.3_е«р >
Сршгі (лоб
0191 11» 473 N1
ЛИТЕРА
Себе ті ік*ж шгр іЗ ме>
11_____^____ _ Т - ~ "__-______Я ^ л ,
ЇМ 233
і
■Ш.:
0191 11» 47 3 93.0 140 ЇМ 233 24
ЛИТЕРА
Собсп_мс~емг _Шф_іЗ_И? )
Хх>а«см »мыпнтпа мпрмешЯ N£04
Пиіпи^ слей
Гиниі »иприт - МП»
\
.
Иллюстрация 5. Изополя эквивалентных напряжений в усиленном узле и его элементах от РСН № 3: а — расчет по первому варианту; б — расчет по второму варианту
б
а
1
Иллюстрация 6. Полномасштабная модель узла усиления растянутого раскоса арочной фермы
• в проушине — не превышает 39,8 МПа, при этом уровень напряжений в шве крепления проушин к нижней полке балки также составляет не более 39,8 МПа.
Величина сдвигающих напряжений в сварных швах крепления элементов усиления:
• к стенке арки — не превышает 6,96 МПа;
• к проушинам — не превышает 6,27 МПа.
Второй вариант предусматривает удаление швов крепления проушин к нижнему поясу балки, и все усилия передаются через дополнительные элементы усиления. Удаление швов
производится с целью исключения растягивающих напряжений, возникающих в нижней полке балки в направлении толщины проката (Иллюстрация 5, б).
Максимальный уровень напряжений в элементах усиленного узла составляет (по энергетической теории прочности) (Иллюстрация 5, б):
• в Г-образной детали усиления — не превышает 279,0 МПа (точка 3);
• в пластине крепления Г-образных деталей усиления к проушинам — не превышает 189,0 МПа (точка
4);
• в проушине — не превышает 135,0 МПа (точка 5).
Величина сдвигающих напряжений в сварных швах крепления элементов усиления:
• к стенке арки — не превышает 18,54 МПа;
• к проушинам — не превышает 19,60 МПа.
Поскольку при работе узла усиления по первому варианту напряжения в местах крепления проушин к нижней полке балки незначительны и вероятность возникновения слоистого разрушения металла полки невелика, поэтому этот вариант и предлагается для проведения ремонтных работ.
Выполненный расчет узла усиления растянутого раскоса показал, что максимальный уровень напряжений, рассчитанный по энергетичес-
Иллюстрация 7. Общий вид, места и характер разрушения полномасштабных моделей узла усиления
кой теории прочности, наблюдается в Г-образных деталях усиления и не превышает 67,8 МПа. Величина приведенных нормальных напряжений в сварных швах элементов усиления не превышает 39,8 МПа, а сдвигающих — 6,96 МПа.
Действующие в элементах усиления напряжения значительно ниже расчетных, которые были приняты равными И, = 280 МПа для стали 09Г2С-12 толщиной до 20 мм и И, = 252МПа при толщине более 20 мм.
Для оценки фактической несущей способности узла усиления растянутого раскоса арочной фермы была разработана полномасштабная модель (Иллюстрация 6). В предложенной модели реализована наиболее неблагоприятная схема работы узла усиления, когда сварной шов, прикрепляющий проушины к нижней полке арки, отрывается от основного металла полки по механизму слоистого растрескивания, и вся нагрузка с растянутого раскоса передается через элементы узла
усиления непосредственно на стенку верхнего пояса арочной фермы. Разработанная модель позволяет оценить фактическую несущую способность сварных угловых швов, прикрепляющих Г-образные элементы усиления к стенке верхнего пояса арочной фермы.
Модель состоит из двух Г-образ-ных элементов (см. Иллюстрацию 6, сб. м. № 1), двух пластин (сб. м. № 2, № 3) и «вилки» (сб. м. № 4), соединенных между собой с помощью сварки. В верхней части узла два Г-образных элемента крепятся к пластине толщиной 10 мм (сб. м. № 3), которая имитирует стенку арки, с помощью четырех угловых швов катетом 6 мм, образуя тем самым крестообразное соединение с конструктивным непроваром.
В нижней части узла Г-образ-ные элементы крепятся внахлестку к пластине толщиной 16 мм (сб. м. № 2) с помощью четырех угловых швов катетом 8 мм. Здесь же к сборочной марке № 2 дополнительно прива-
рен плоский элемент в виде «вилки» (сб. м. № 4), который отсутствует в проектном решении, но необходим для захвата образца в испытательной машине.
Геометрические размеры элементов усиления, марка стали и сварочные материалы соответствуют проект — ному решению узла усиления.
В результате проведенных испытаний установлено:
1 Среднее значение разрушающей нагрузки по результатам испытаний трех образцов составляет 58 133 кгс, что превышает проектную нагрузку, составляющую 31 575 кгс, на 84% (Таблица 2).
2 Нагрузка, соответствующая упругой работе металла образцов без образования в них трещин составляет 53 000 кгс, что превышает максимальную расчетную нагрузку на 67%.
3 В образце № 1 разрушение произошло по основному металлу около захвата, а в образцах № 2, 3 — по сварному шву, моделирующему присоединение элемента усиления к стенке арки, по сечению с минимальной площадью среза (Иллюстрация 7).
4 Предварительный подогрев свариваемых кромок до 120 0С при температуре окружающей среды +20 0С не оказал значимого влияния на несущую способность образца по сравнению с аналогичными образцами, заваренными без предварительного подогрева.
5 Расчетные и экспериментальные исследования подтверждают, что при действии проектных нагрузок узел усиления растянутого раскоса арочной фермы находится в работоспособном состоянии даже при возникновении слоистого разрушения в нижней полке верхнего пояса арочной фермы.
Наряду с дефектами в виде слоистого разрушения нижней полки арки в металлоконструкциях покрытия были выявлены недопустимые технологические дефекты в заводских и монтажных сварных соединениях. Наибольшее количество дефектов наблюдалось в сварных угловых швах, соединяющих монтажные накладки со стенкой затяжки, которая является одним из основных элементов конструкции и воспринимает значительные растягивающие напряжения.
При 100% неразрушающем контроле качества этих сварных швов доля негодных составила 98%. В подавляющем большинстве сварных швов были выявлены несплавления по кромкам и между валиками с высотой несплошности от 2 до 5 мм и длиной
Иллюстрация 8. Схемы усиления заводских и монтажных стыков затяжки
от 80 до 600 мм. Среди возможных причин этих несплавлений было указано на низкое качество металла стенки затяжки по неметаллическим включениям, которые наблюдались на глубине 0,15—1,4 мм от поверхности проката. Наиболее протяженные строчки неметаллических включений в виде оксидов алюминия находятся на глубине не более 0,5 мм. Наличие этих строчек привело к ограничению свариваемости и появлению несплав-лений. Учитывая эти обстоятельства, было принято решение не ремонтировать дефектные участки сварных соединений, а провести их усиление.
Конструктивно затяжка арочной фермы выполнена в виде составной сварной двутавровой балки высотой 632 мм, в которой имеются заводские и монтажные стыки. Заводские стыки включают в себя стыки полок и стенки, которые разнесены относительно друг друга на 500—800 мм. Монтажные стыки полок и стенки выполнены на накладках, а их оси совмещены в одной плоскости.
Учитывая эти обстоятельства, при разработке проекта усиления сварных соединений все стыки затяжки были разбиты на три группы узлов (Иллюстрация 8):
1 Объединенные (заводские и монтажные) стыки в районе опорных узлов (узел типа А — Р1).
2 Заводские стыки около У-образной стойки (узел типа Б — Р2, Р3).
3 Монтажный стык в середине пролета (узел типа С — Р4).
Все типы узлов были усилены двумя сплошными уголками 200 х 6 мм из стали С345-3 с площадью поперечного сечения, равного площади затяжки (нижнего пояса арочной фермы). При таком варианте усиления вероятность разрушения затяжки с технологическими дефектами сводилась к минимуму, так как элементы усиления могли воспринять всю расчетную нагрузку, приходящуюся на затяжку.
Принимая во внимание загрязненность поверхностного слоя затяжки неметаллическими включениями, была разработана соответствующая технология сварки элементов усиления, в которой особое внимание было уделено подготовке свариваемых поверхностей. В частности, технологическим регламентом предписывалось производить предварительную очистку металла от ржавчины, окалины и заводской грунтовки с последующим удалением поверхностного слоя металла на глубину не менее 1 мм в местах наложения сварных швов. Сварку было рекомендовано производить с предварительным местным подогревом металла до 120—160 0С в зоне
шириной не менее 100 мм с каждой стороны соединения.
Выполнение сварочных работ с учетом предложенных рекомендаций обеспечило требуемое качество сварных соединений, что подтверждено результатами неразрушающего контроля.
Заключение
1 Предложенные способы усиления узлов позволили устранить выявленные несоответствия с минимальными затратами материальных средств и времени.
2 Выполненные расчеты и экспериментальные испытания полномасштабных узлов подтвердили работоспособность и пригодность к эксплуатации узла усиления растянутого раскоса арочной фермы при реализации наиболее неблагоприятной ситуации (при отрыве металла шва от нижней полки арки по механизму слоистого разрушения).
3 При проектировании ответственных, технически сложных и уникальных объектов с использованием толстолистового металлопроката особое внимание следует уделять вопросам выбора марки стали, обеспечения свариваемости и технологической прочности элементов конструкций, которые, как свидетельствует практика, могут определять работоспособность всего сооружения.
Список использованной литературы
1 Городецкий А. С., Евзе-ров И. Д. Компьютерные модели конструкций. 2-е изд., доп. Киев, 2007.
2 Свод правил СП 16.13330.2011. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП 11-2381*. М., 2011.
